Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von
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Faksimile: Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren Blatt: 1 von 4 Faksimile: Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren Blatt: 2 von 4 Faksimile: Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren Dipl.-Phys. V. Tympel, Dipl.-Phys. H. Brenneisen Carl Zeiss JENA GmbH Die Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren wird häufig mit Hilfe von einstellbaren Autokollimationsfernrohren bestimmt. Die klassischen Verfahren sind durch die Einbeziehung des Auges subjektiv geprägt und im Wellenlängenbereich stark eingeschränkt. Im folgenden wird ein Verfahren vorgestellt, das durch den Einsatz von CCD-Sensortechnik und nachfolgender digitaler Bildverarbeitung die Bestimmung der Brennweite objektiviert und den Wellenlängenbereich von 430 bis 1 060 nm erschließt. 1. Grundlagen Allgemein sind im Gebiet des optischen Messens subjektive Meßverfahren stark verbreitet. Dies trifft besonders für nicht beugungsbegrenzte Optik zu und bringt Probleme bei der Reproduzierbarkeit von Meßergebnissen. Ein typisches Beispiel hierfür ist die klassische Bestimmung der relativ großen Brennweite von Meßfernrohren, Autokollimationsfernrohren (AKF), Kollimatoren und ebenen Spiegeln [1]. Neben den zahlreichen Entwicklungen für die automatische Fokussierung in der Foto- und Kameratechnik gibt es für meßtechnische Zwecke seit längerem elektromechanische Meßsysteme, die zumeist mit Hilfe eines Schwingspalts arbeiten [2]. Der Einsatz moderner optoelektronischer Bauelemente, z. B. CCD-Sensoren, eröffnet auch hier neue Möglichkeiten. So wird in [3] der Einsatz einer CCD-Matrix für ein automatisch fokussierendes Mikroskop erläutert. Es liegt daher nahe, den Einsatz von CCD-Zeilen für die Bestimmung von großen Brennweiten zu untersuchen. Für die Bewertung des Fokussierzustands sind verschiedene Bildfunktionen bekannt [3] [4], z. B. Bildkontrastfunktion (BKF), Bildkontrastfunktion der Quadrate (BKFQ), Fensterkontrastfunktion (FKF) und Bildentropie. Im eindimensionalen Fall gilt: BKF G i G i 1 (1) i BKFQ G i G i 1 (2) FKF G i 2 G i 1 G i 2 (3) 2 i i G(i) Grauwert an der i-ten Position. 2. Meßeinrichtung Die Meßeinrichtung besteht aus Sensorkopf, Sensorinterface und Computer EC 1834. Ein TURBO-PASCALProgramm mit speziellem Assemblermodul zur Sensorsteuerung übernimmt die Informationsauswertung und Darstellung. Im Sensorkopf wird mit Hilfe einer Okularoptik die Strichplatte des jeweiligen AKFs auf eine CCD-Sensorzeile L 133 C abgebildet. Mit Hilfe des CCD-Sensors kann die Konstruktion so leicht und klein gestaltet werden, daß der Sensorkopf bequem anstelle des üblichen Okulars an handelsübliche AKF geschraubt werden kann. Die Sensoroptik läßt sich entlang der optischen Achse durch Drehbewegung von außen verstellen. Das Sensorinterface wurde auf einer Lochrasterkarte vom Institut für Automatisierung aufgebaut und erlaubt zwei softwaremäßig umschaltbare Betriebsarten: Die eigenständige Bereitstellung der Steuertakte ohne Prozessorunterstützung, um die Betriebsbereitschaft der CCD-Zeile zu garantieren, und den prozessorgesteuerten Betrieb, d. h. programmäßige Erzeugung der Signale für CCD-Zeile, Multiplexer, AD-Wandler C 574 und Einlesen der Daten. Die Integrationszeit der CCD-Zeile kann 5 bis 500 ms betragen, wobei die Zeit für die Wandlung der 1024 Bildpunktdaten und 12 Referenzen etwa 50 ms beträgt. 3. Meßvorgang Die Messung besteht aus zwei Teilvorgängen: Der Abstimmung des Systems Strichplatte-Sensoroptik-CCDZeile und der eigentlichen Messung, wobei die durch die Abbildung des AKFObjektivs entstehende Struktur mit ausgewertet wird. Blatt: 3 von 4 Faksimile: Verfahren zur objektiven Bestimmung der Brennweite von Fernrohren und Kollimatoren Zur Abstimmung des Systems Strichplatte-Sensoroptik - CCD-Zeile wird die Okular-Strichplatte objektivseitig beleuchtet. Durch Verstellen der Sensoroptik kann dann das gewünschte Einstellkriterium erreicht werden. Die Abstimmung muß nicht vor jeder Messung wiederholt werden. Dies ist nur erforderlich, wenn die Wellenlänge geändert oder der Sensorkopf abgeschraubt wurde. Zur eigentlichen Messung wird der Prüfling bzw. ein Autokollimationsspiegel objektivseitig angeordnet und zum AKF justiert. Die in der Strichplattenebene entstehende Struktur gelangt zur Auswertung. Durch Verstellen des AKF-Auszugs kann das gewünschte Einstellkriterium erreicht werden. Mit Hilfe der Kursortasten ist eine softwaremäßige Einschränkung des Gesichtsfelds möglich. Bei den Messungen ist auf konstante Beleuchtungsverhältnisse und exakte Filterwirkung (große Empfindlichkeit der CCD-Zeile im NIR) zu achten. 4. Ergebnisse Anhand des Abstimmvorgangs für die Abbildung der Strichplatte des AKFs auf die CCDZeile wurde die Wirkung verschiedener Bildfunktionen untersucht. Bild 1 zeigt die Wirkung des Drehwinkels (als Maß für die Lage der Sensoroptik auf der optischen Achse) bezüglich verschiedener Bildfunktionen. Es zeigte sich, daß die BKFQ als Einstellkriterium geeignet ist, wobei auch BKF und FKF brauchbare Ergebnisse liefern. Untersuchungen der Bildentropie und der Entropie der Grauwertdifferenzen ergaben, daß diese im speziellen Fall ungeeignet sind. Auch die Fourierspektrenanalyse erwies sich als unzweckmäßig. Unter Verwendung der BKFQ als Einstellkriterium wurde ein AKF 63/420 S im Autokollimationsverfahren mit Hilfe eines hochebenen Spiegels überprüft. Bild 2 zeigt, daß der visuell ermittelte Auszugswert mit dem Maximum der BKFQ übereinstimmt. Mit dem AKF 63/420 S als Normal wurde die Brennweite eines Dioptrienmeßfernrohrs unter Verwendung der BKFQ bestimmt. Außerdem führten verschiedene Prüfer visuell Vergleichsmessungen durch. Bild 3 zeigt, daß beide Meßverfahren gleiche Ergebnisse für die Brennweite liefern, wobei das objektive Verfahren eine geringere Streubreite aufweist. Die Eichung des AKFs 63/420 S erfolgte im Autokollimationsverfahren unter Verwendung der BKFQ im Wellenlängenbereich von 430 bis 1 060 nm. Aus Bild 4 geht hervor, daß die so ermittelte Lageänderung des Brennpunkts in Abhängigkeit von der Wellenlänge gut mit den über Strahldurchrechnung ermittelten günstigsten Auffangebenen des Idealobjektives übereinstimmt. Die Ergebnisse bestätigen, daß die Abbildungsqualität eines konventionellen Okulars als Sensoroptik ausreichend ist. 5. Zusammenfassung Durch den Einsatz eines CCD-Sensors in Verbindung mit entsprechender Rechentechnik und Software wurde ein Verfahren entwickelt, das es gestattet, optische Messungen großer Brennweiten, wie diese bei Meßfernrohren, Autokollimationsfernrohren, Kollimatoren und ebenen Spiegeln auftreten, objektiv durchzuführen. Unter Verwendung der BKFQ als Einstellkriterium konnten visuelle Messungen und theoretische Rechnungen bestätigt werden. Der Wellenlängenbereich von 430 bis 1 060 nm wurde dabei mit erschlossen. Ein derartiges Verfahren ist geeignet, die oben genannten optischen Geräte bezüglich der Brennweite im Sinne eines Maßanschlusses an bestehende Ebenheitsnormale anzubinden. In der Schweißprozeßautomatisierung ist eine Vielzahl von Problemen zu beherrschen, für deren Lösung es keinen universellen Sensor gibt. Berührungslose Erkennungsprinzipien bieten zweifellos viele Vorteile. Aus diesem Grund geht der internationale Trend in der Sensorentwicklung in diese Richtung. Trotzdem behalten auch taktile Verfahren weiterhin für bestimmte Einsatzfälle ihre Berechtigung, da sie meist robust, einfach und kostengünstig aufgebaut sind und zuverlässig arbeiten. Je nach Einsatzfall und Sensoraufgabe, z. B. Erkennung des Fugenanfangs, des Fugenverlaufs, der Spaltbreite, der Spaltgeometrie u. a., muß ein geeignetes Prinzip ausgewählt werden, wobei immer auch ökonomische Gesichtspunkte, wie das Verhältnis von Aufwand und Nutzen, eine Rolle spielen. Literatur [1] König, A.: Das Fernrohr. Berlin: Springer-Verlag 1933, S. 184 ff. [2] Hock, F.; Wentzlar: Ein photoelektischer Meßtubus als Mikroskop, Automikroskop, Autokollimator und Refraktometer. Mikrotech, vol. XX No. 5, S. 522-526 [3] Nowottnick, A.: Test ausgewählter Fokussierkriterien zur Bestimmung der optimalen Fokusposition eines Mikroskops mit Methoden der automatischen Bildverarbeitung. Diplomarbeit, FSU Jena 1987 [4] Hild, R.; Nitzsche, G.: Eigenschaften der Bildentropie bei mikroskopisch defokussierter Abbildung. Beiträge zur Optik und Quantenelektronik, Band 12 (1987), S. 109-110 FEINGERÄTETECHNIK, Berlin 39 (1990) 12 Blatt: 4 von 4
